異構體數目

化學術語

有機物種類繁多,簡單的說主要原因是由於同分異構體的數目多而複雜,導致有機物豐富多彩。目前有機物種類數目超過3000萬種,是無機物種類的300多倍。同分異構這裡主要涉及構造異構和構型異構。構造異構分為碳鏈異構,位置異構和官能團異構;構型異構分為旋光異構和順反異構。

基本介紹


烷烴是唯一的鏈狀飽和烴,異構類型只有碳鏈異構和旋光異構。甲烷乙烷丙烷都只有一種,無異構體。注意庚烷才出現旋光異構。下表未記旋光異構,只是烷烴的構造異構;在國外的在線整數數列中可以找到烷烴異構數目(The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences, A000602)。
烷烴構造異構數目烷烴構造異構數目烷烴構造異構數目
甲烷CH41辛烷C8H1818十五烷C15H324347
乙烷C2H61壬烷C9H2035十六烷C16H3410359
丙烷C3H81癸烷C10H2275十七烷C17H3624894
丁烷C4H102十一烷C11H24159十八烷C18H3860523
戊烷C5H123十二烷C12H26355十九烷C19H40148284
己烷C6H145十三烷C13H28802二十烷C20H42366319
庚烷C7H169十四烷C14H301858二十一烷C21H44910726
命名在這裡不贅敘。這裡一下庚烷的對映異構,也就是同一個碳上連一個氫、甲基乙基丙基。而丙基有兩種,所以兩種庚烷構造異構有旋光異構。CH3CH2*CH(CH3)CH2CH2CH3 以及CH3CH2*CH(CH3)CH(CH3)CH3。前者命名成(3R)-3-甲基己烷,(3S)-3-甲基己烷。後者命名成(3R)-2,3-二甲基戊烷,(3S)-2,3-二甲基戊烷。當然七個碳以後的烷烴都存在對映異構。
烷基是在烷烴的基礎上,烷烴中任意去掉一個氫原子所形成的不帶電的自由基。知道烷基的異構數目,可以直接知道一元的醇,一元鹵代烴,一元羧酸,一元胺等一元取代物的數目。比如說戊醇,鹵戊烷,己醛,己酸有幾種異構,這些都是8種,都是暗指戊基有幾種,可以說在中學化學中意義非凡。甲基和乙基自然只有一種(OEIS, A000598)。
烷基構造異構數目烷基構造異構數目
甲基(-CH3)1己基(-C6H13)17
乙基(-C2H5)1庚基(-C7H15)39
丙基(-C3H7)2辛基(-C8H17)89
丁基(-C4H9)4壬基(-C9H19)211
戊基(-C5H11)8癸基(-C10H21)507
異構體數目
異構體數目
上圖列舉出了甲基到己基的結構式和命名,紅色的表示還存在旋光異構。部分烷基命名:-CH2CH2CH3正丙基(英文縮寫n-Pr), -CH(CH3)CH3異丙基 或 1-甲基乙基(英文縮寫i-Pr)。
-CH2CH2CH2CH3正丁基(n-Bu),-CH2CH(CH3)2異丁基 或 2-甲基丙基(i-Bu),-CH(CH3)CH2CH3仲丁基 或1-甲基丙基(s-Bu),-C(CH3)3叔丁基 或 1,1-二甲基乙基(t-Bu)。
-CH2CH2H2CH2CH2CH3正戊基(n-Am),-CH2CH2CH(CH3)2異戊基 或 3-甲基丁基(i-Am),-CH2CH(CH3)CH2CH3 2-甲基丁基,-CH(CH3)CH2CH2CH3仲丁基 或 1-甲基丁基(s-Am),-CH(CH3)CH(CH3)CH3 1,2-二甲基丙基,-C(CH3)2CH2CH3 叔戊基 或 1,1二甲基丙基(t-Am),-CH2C(CH3)2CH3 新戊基 或 2,2-二甲基丙基(neo-Am),-CH(C2H5)2 1-乙基丙基。
這裡順便說說烷基的縮寫,上面已經體現。甲基Me,乙基Et,丙基Pr,丁基Bu,戊基Am。而詞頭 正n,異i,仲s,叔t,新neo。
單烯烴是最簡單的不飽和烯烴,它的異構也就引入了一種新的構型異構——順反異構。乙烯丙烯自然只有一種,2-丁烯中開始有有順反異構。表中順反異構未計入,只記錄了構造異構(OEIS, A000631) 。
烯烴構造異構數目烯烴構造異構數目
乙烯(C2H4)1庚烯(C7H14)27
丙烯(C3H6)1辛烯(C8H16)66
丁烯(C4H8)3壬烯(C9H18)153
戊烯(C5H10)5癸烯(C10H20)377
己烯(C6H12)13十一烯(C11H2)914
異構體數目
異構體數目
2-丁烯有順式的(Z)-2-丁烯,反式的(E)-2-丁烯。那麼同理,四個碳以後的烯烴都會有順反異構。
由於有的烷基會有旋光異構,所這樣的烯烴結構就十分複雜,例如CH3CH=CH*CH(CH3)CH2CH3;這是最簡單的旋光和順反異構複合的烴。存在四種構型異構,命名分別是:(2Z),(4R)-4-甲基-2-己烯,(2Z),(4S)-4-甲基-2-己烯,(2E),(4R)-4-甲基-2-己烯,(2E),(4S)-4-甲基-2-己烯。
飽和環烷烴是最簡單的脂環烴,它和烯烴符合異構關係。其中最簡單的是環丙烷,從5個碳的環烷烴開始有順反異構。下表只記錄構造異構,不涉及立體構型。
C3H61C5H105
C4H82C6H1212
異構體數目
異構體數目
比如五個碳的環烷烴,1,2-二甲基環丙烷,空間存在三種異構體:一種順式和兩種反式;反式必須用旋光異構體去命名,分別是 順式-1,2-二甲基環丙烷,(1R,2R)-1,2-二甲基環丙烷,(1S,2S)-1,2-二甲基環丙烷。當然五個碳以上的更加存在順反異構和旋光異構。
炔烴是含碳碳叄鍵的最簡單的烴類。其中最簡單的是乙炔,乙炔和丙炔只有一中。己炔開始存在旋光異構,下表未計入其立體異構數目(OEIS, A000642)。
炔烴構造異構數目炔烴構造異構數目
乙炔(C2H2)1庚炔(C7H12)14
丙炔(C3H4)1辛炔(C8H14)32
丁炔(C4H6)2壬炔(C9H16)72
戊炔(C5H8)3癸炔(C10H18)171
己炔(C6H10)7十一炔(C11H20)405
最簡單的含對映體的炔烴是CH≡CCH(CH3)CH2CH3。命名為:(3R)-3-甲基-1-戊炔,(3S)-3-甲基-1-戊炔。